颜填料的结构与物性对涂料性能的影响

BMA004 · 发表于 2008-4-2 09:07:46

现代涂料工业的发展正快速朝着功能化、高装饰性、环保与低成本化方向发展，而要在这每一个方面有所收获乃至突破，颜填料性能的改进与发展都是必不可少的。颜料工业的发展既含有对传统颜填料合成工艺与性能的改进，亦包含新型有机或无机颜填料的诞生并获得应用。正是伴随着颜填料加工、合成与应用技术的进步，推动了近十多年涂料技术出现了一次又一次的飞跃。然而不管是有机或无机颜填料，它们在涂料中的作用都围绕着新的功能的诞生与各种迷人的视觉效果的出现。然而颜料、填料在涂膜中稳定作用的发挥受制约的因素很多，本文根据自己多年来在颜料与涂料研究过程中的所体会到的一些经验与教训，从影响颜填料在涂料中应用性能的因素入手，阐述颜填料在生产与应用过程中应注意的一些问题，希望能对颜填料的生产企业有些借鉴之用。

1 颜填料的颗粒形态

一般而言，针状颗粒较球形粒子更具有增强、增韧作用。然而针状粒子的消光作用远较球形粒子为甚，同时针状粒子的分散性亦相对困难，为了保持针状纤维的增强功能，强剪切的加工过程将是不允许的，因为剪切力越大，针状粒子越易折断，这样会导致增强功能下降。而片状的颜填料应用于涂料中能明显提高涂料的致密性。

多孔结构的颗粒一般较实心结构的颗粒具有更好的补强攻能，但消光作用亦更明显，这可能与成膜物树脂被吸附后在颗粒外表面残留层厚度有关，同样的基料在多孔粒子表面因孔内吸附树脂而导致膜厚度下降。软质的颜填料一般亦因为树脂容易扩散渗透而出现涂膜光泽较硬质颜填料低。

颜填料的颗粒形态体现在吸油量值方面，即直径大的针状颗粒、软质颜填料、多孔粉体其吸油值大，较难分散，而球形、硬质的颜填料其吸油量相对较低，分散效率高。

从涂膜补强的角度考虑，含硬质粉体、高比表面粉体的涂层耐磨性较好。

2 颜填料的酸碱性

涂料用树脂较多呈酸性，碱性树脂较少（水性树脂除外）。所以颜填料的酸碱性直接影响涂料的加工、贮存稳定性，甚至涂料成膜后的物理化学性能，然而碱性颜填料在与酸性树脂反应后大多对涂膜的光泽有些影响。由于酸碱反应，涂料的粘度一般都呈明显增加的趋势，有的颜填料在酸性稍强的树脂体系中因粘度增加过大而应用受限，如ZnO、锌黄等。但这些酸碱反应后涂膜的性能亦有明显改变，大多体现在韧性、耐溶剂性，甚至光、热稳定性等。但碱性颜填料的存在对钢铁等金属的防腐是有益的。

颜填料的酸碱性除与颜填料本身的结构有关外，还与粉体中残留的水溶盐有关，亲水性的水溶盐的存在不仅使颜填料在涂料出现分散困难，浆料呈现假稠，还导致涂料成膜后的耐水、耐化学品性下降，所以颜填料的后处理阶段，水溶盐的含量应尽可能低。

3 颜填料的含水量

通常情况下，具有极性化学键结构的颜填料在空气中很容易吸附水，特别是空气湿度大的时候。象碳黑，在高湿度时，含水量甚至可以高达20%左右。颜填料中水分存在对其分散稳定性影响很大。我们常常发现，每当空气潮湿时，原先很容易分散的颜填料，其在涂料中的细度却很难达到要求，即使细度在研磨后达到要求，往往稍经放置即出现返粗，甚至在调漆阶段补加溶剂、树脂时即已出现返粗现象，造成这种现象的根本原因在于颜填料表面吸附的水过多，不仅向颜填料表面扩散吸附过程受阻，而且树脂与颜填料之间的相互作用受到极大削弱，此时，涂料厂家采用添加分散剂或补充极性溶剂的方式解决，但补极性溶剂对于象聚氨酯这些对水敏感的涂料是一种禁忌，而分散剂的增加亦意味着涂料制作成本的上升，这些措施在涂料生产过程中都具有局限性。

因而要减少颜填料表面的水含量，最后从颜填料表面改性，粉体包装等方面考虑，憎水处理的颜填料表面对水的吸附较弱，而粉体的致密性包装亦可改变对水的吸附量。

4 颜填料的表面处理

众所周知，一般颜填料的表面极性均较高，而成膜聚合物的分子极性均较低，所以为了阻止颜填料对水的吸附，促进颜填料对聚合物的吸附，改善涂膜的强度，很多情况下需要对颜填料进行改性。然而改性的方法不同，改性剂的结构有异，将直接影响涂料成膜后的各项性能参数值。解决颜填料的分散性很容易，只要对其作亲油处理就可很好地在有机涂层中分散，而无机颜填料用无机氧化物包膜可以提高耐候、耐酸碱、耐温等性能中的一种或几种，但这些处理对颜填料的分散性事实上的影响很小。对于有机涂层而言，涂料中颜填料的细度远比无机涂层中的颜填料细度要求苛刻，这就要求颜填料不仅原始粒径需要控制外，还需要进行亲油处理，以防止因吸附水而导致的颗粒团聚。颜填料的表面处理，一般文献介绍的大多为小分子表面活性剂与钛酸酯、有机硅、铝酸酯等偶联剂及无机硅、铝、锆、钛等包覆，改性剂的用量从0.1%至20%左右不等，很多颜填料在进行无机包覆的同时还进行有机包膜。无机材料的包膜，从一定程度上改善了材料本身在耐候、耐温、耐化学品性上所表现的优势已被证实，而有机处理的结果相对比较复杂了。笔者曾多年进行颜填料的表面处理工作，发现在不考虑颜填料应用时对涂料综合性能影响的同时，一般有机表面活性剂的表面包覆吸附均能在一定程度上改善粉体在有机涂层中的分散性。然而将粉体应用于涂料中的一个重要目的就在于改善涂料成膜后涂层的某些性能，仅仅只在涂料加工中改善其分散性是远远不够的。我们曾发现，nm-CaCO3的表面处理剂使用脂肪酸、常见的钛酸酯、铝酸酯、有机硅氧烷偶联剂与各类离子型、非离子型表面活性剂后均能非常显著地提高涂料加工过程中nm-CaCO3的分散性，然而这些表面处理剂的存在对涂膜的机械性能、耐水、耐化学品甚至耐光性等方面往往是有害的。笔者认为可能存在两方面情况——表面处理剂自身对光、热、化学品等的耐性与表面处理剂、粉体材料、成膜物之间的弱作用力——导致了表面活性剂的引入使部分性能趋于下降。研究中我们还发现带有部分反应性基团的聚合物处理颜填料与小分子处理剂相比明显具有贮存稳定、改善性能（如耐水、机械性能等）方面的优势。这可能源于大分子处理剂自身的空间位阻与力学强度。

5 光学性能

颜填料的光学性能包括——着色力、消色力（白色颜料）、干遮盖、外观色相等。遮盖力、着色力或消色力与粉体的粒径相对应.

对于遮盖力而言，当粒子的直径在光波长的一半以上时，随着粒径的下降，颜填料的遮盖力包括混遮盖力均得到提高；当粒子的直径小于光波长的一半时，粒子越细，遮盖力越低。而就着色颜料的着色力或消色力来说，色彩本身来源于颜料对光的吸收。虽然对光的吸收强度与粒子直径存在一定的关系，但主要取决于物质自身的组成、结构。当然着色力或消色力还与粉体颗粒的形状、粒度分布等相关联。

着色颜料的外观色相同样与颗粒的粒径相关联，随着粒径的减少，粉体将从红、黄色调向蓝、紫色调转移。

现代涂料对外观要求越来越苛刻，除一些知名色以外，普遍在追求新奇、艳丽色彩。因而我们在颜料的制备过程中，对于光谱项上不同吸收带的颜料组成不要轻易舍去，有些十分复杂的涂膜外观色调说不定就是你们曾经淘汰过的样品。涂料的颜色随意性很大，大多数都是根据某些人的感觉作出的判断，文化背景的不同造就了人对色彩感觉的迥异，因而我们在保持传统颜料色相稳定的同时，应力求完善颜料家族中的光谱系，颜料厂商在推销自己产品的时候，应尽可能让技术人员走向前台，让自己了解市场到底需要什么，如何向客户介绍自己的产品。事实上我们合成的每一种色调在涂料市场上都有自己合适的位置。

部分颜料在合成过程中往往同时伴生其他色调的副产品或颜料分子本身的同分异构体，如：大红粉、酞菁绿等，如果无法将杂色除去，可否考虑对体系进行有机处理，实现不同颜色的均匀混合，减少诸如象金光这些不良现象的产生。

随着涂料工业的发展，涂料对颜填料的要求也变得越来越苛刻了，这就需要从事颜料研究的技术人员具有更开阔的视野与思维走向，否则我们的颜料工业可能永远只能在国外品牌的阴影下生存，民族颜料工业的发展则将危矣。